(57)【要約】      （修正有）【課題】不必要な照射光線の消衰を最適化できる光学システムを提供する。【解決手段】光学システム１００は、光源６２と偏光子４からなる偏光源、反射型ディスプレイ装置７０、少なくとも１つの光波コリメーティングコンポーネント１６、および光波出射面２０とそれぞれ関連する外表面とを有する画像コリメーティングプリズム１０２を含む。偏光選択的ビームスプリッター構成１０が、光波入射面８に対して傾斜した面上でプリズム内に配置される。反射型ディスプレイ装置は、ビームスプリッター構成から反射された光によって照射され、かつ、画像の明るい部位に対応する偏光の回転を生成する。反射型ディスプレイ装置からの画像が、ビームスプリッター構成によって選択的に伝達され、コリメーティングコンポーネントによってコリメートされ、ビームスプリッター構成から反射され、かつ、出射面を通って投影される。【選択図】図２
0003226588.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、該システムは：
（ａ）光波伝達材料を含む画像コリメーティングプリズムであって、前記プリズムは、光波入射面および光波出射面を含む複数の外表面と、画像表示面と、コリメーション面と、を有し、偏光選択的ビームスプリッター構成が、前記光波入射面に対し傾斜した面上で前記プリズム内に配置されている、画像コリメーティングプリズムと；
（ｂ）前記光波入射面と関連する偏光光源と；
（ｃ）前記プリズムの前記画像表示面と関連する反射型ディスプレイ装置であって、  前記反射型ディスプレイ装置は画像に対応する反射光の空間変調を生成し、前記反射型ディスプレイ装置は前記ビームスプリッター構成から反射される偏光源からの光によって照射され、前記反射型ディスプレイ装置は、前記画像の明るい領域に対応する前記反射光が前記偏光光源に対して回転する偏光を有するように構成されている、反射型ディスプレイ装置と；
（ｄ）前記コリメーション面の少なくとも一部と関連する少なくとも１つの位相差板と；および、
（ｅ）前記位相差板の少なくとも一部に重なる少なくとも１つの光波コリメーティングコンポーネントと；を含み、
結果として、前記反射型ディスプレイ装置からの画像が、前記偏光選択的ビームスプリッター構成によって選択的に伝達され、前記コリメーティングコンポーネントによってコリメートされ、前記偏光選択的ビームスプリッター構成から反射され、かつ、前記出射面を通って投影される、ことを特徴とする、光学システム。
【請求項２】
前記プリズムの前記光波入射面および光波出射面は平行であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記プリズムの隣接する面の間の少なくとも１つの角度は非直角であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記プリズムは立方形のプリズムであることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記プリズムは正方形で立方形のプリズムであることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
偏光選択的ビームスプリッター構成はワイヤグリッドビームスプリッターであることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記偏光選択的ビームスプリッター構成は、
（ａ）前記偏光光源に最も近接している第１のビームスプリッター素子と；
（ｂ）吸収型ポラライザと；
（ｃ）前記光波コリメーティングコンポーネントに最も近接している第２のビームスプリッター素子と；を含む、複合ビームスプリッター構成であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
前記第１のビームスプリッター素子はワイヤグリッドビームスプリッター素子であることを特徴とする、請求項７に記載の光学システム。
【請求項９】
前記プリズムの前記光波出射面と関連する出口ポラライザをさらに含み、前記出口ポラライザは、前記吸収型ポラライザを横断する、前記偏光光源からのあらゆる照射の消衰を確実にするように、前記吸収型ポラライザに対し交差関係で配向されることを特徴とする、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記プリズムの前記光波出射面と関連する出口ポラライザをさらに含み、前記出口ポラライザは、前記偏光選択的ビームスプリッター構成を横断する、前記偏光光源からのあらゆる照射の消衰を確実にするように、前記偏光選択的ビームスプリッター構成に対し交差関係で配向されることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記反射型ディスプレイ装置は反射型液晶ディスプレイを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１２】
少なくとも２つの互いに平行な主表面を有する光導基板、および光波入射開口をさらに含み、前記光波入射開口は、前記プリズムの前記光波出射面に光学的に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１３】
光伝達基板は、前記主表面に対し斜角で前記基板内に伸長する少なくとも１つの部分反射面を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記位相差板は、偏光軸と位置合わせされる高速軸を有する第１の位相差板と、偏光軸に対し４５度で位置合わせされる高速軸を有する第２の位相差板と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は光学システムに関し、特に、コンパクトなコリメーティング画像プロジェクターを備える光学システムに関する。
【０００２】
コンパクトな光学装置は、特にヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の分野において必要とされ、光モジュールは、ビューアーの目への送達のために、画像生成機能（「イメージャ」）および無限遠への画像のコリメーション機能を実行する。画像は、空間光変調器（ＳＬＭ）から、例えば、ブラウン管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、反射型液晶（ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ−ｏｎ−ｓｉｌｉｃｏｎ）（ＬＣｏＳ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＯＬＥＤディスプレイ、スキャニングソース、または同様の装置から直接的に、または、リレーレンズまたは光ファイバー束によって間接的に、ディスプレイ装置から得ることができる。画像は、多くのピクセルから構成され、非透視応用および透視応用のために、それぞれ、配列をコリメートすることによって無限遠に集中され、かつ、典型的には反射面または部分反射面がコンバイナとして作用することによって、ビューアーの目へと伝達される。典型的には、従来の、自由空間光モジュールはこれらの目的のために使用される。
【０００３】
システムの所望の視野（ＦＯＶ）が増大するにつれ、このタイプの従来の光モジュールは、中程度の性能の装置のためであっても、より重く大きくなり、従って非実用的になる。これはすべての種類のディスプレイの主な欠点であるが、特にヘッドマウントアプリケーションにおいては、システムは必ず可能なかぎり軽量かつコンパクトでなくてはならない。
【０００４】
コンパクトさを追求することにより、いくつかの様々な複雑な光学的ソリューションがもたらされたが、その多くはまだほとんどの実用的な用途には十分にコンパクトではなく、同時に、コスト、複雑さ、および製造可能性の点で欠点がある。場合によっては、光学的視角の全範囲が目に見えるアイモーションボックス（ｅｙｅ−ｍｏｔｉｏｎ−ｂｏｘ）（ＥＭＢ）は小さく、例えば６ｍｍ未満であり、光学システムの性能をビューアーの目に対する光学システムの小さな動きに対しても敏感にするが、そのようなディスプレイからテキストを快適に読み取るための十分な瞳孔の動きに対応することができない。
【０００５】
ＨＭＤおよびニアアイディスプレイのための特に有利な一群のソリューションは、Ｌｕｍｕｓ  Ｌｔｄ．（イスラエル）から市販され、典型的には、部分反射面を備える光導基板（導波路）またはユーザーの目に画像を送達するための他の適用可能な光学素子を使用する。Ｌｕｍｕｓ  Ｌｔｄ．の技術の様々な態様は、以下のＰＣＴ特許刊行物に記載されており、これらは本考案と関連する背景を提供するものとして参照により本明細書に組み込まれる。ＷＯ０１／９５０２７、ＷＯ２００６／０１３５６５、ＷＯ２００６／０８５３０９、ＷＯ２００６／０８５３１０、ＷＯ２００７／０５４９２８、ＷＯ２００８／０２３３６７およびＷＯ２００８／１２９５３９。
【考案の概要】
【０００６】
本考案はコンパクトなコリメーティング画像プロジェクターを備える光学システムである。本考案の特定の好ましい実施形態は、比較的大きなＥＭＢ値を有するとともに幅広いＦＯＶのための単純でコンパクトなソリューションを供給する。結果として生じる光学システムは、大規模で高品質の画像を提供するために実装されることができ、これはまた、目の大きな動きに対応する。
【０００７】
本考案の実施形態の教示によれば、光学システムであって、（ａ）光波伝達材料を含む画像コリメーティングプリズムであって、該プリズムは、光波入射面（ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ  ｅｎｔｒａｎｃｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）および光波出射面（ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ  ｅｘｉｔ  ｓｕｒｆａｃｅ）を含む複数の外表面と、画像表示面と、コリメーション面（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅ）と、を有し、偏光選択的ビームスプリッター構成が、光波入射面に対し傾斜した面上でプリズム内に配置されている、画像コリメーティングプリズムと；（ｂ）光波入射面と関連する偏光光源と；（ｃ）プリズムの画像表示面と関連する反射型ディスプレイ装置であって、反射型ディスプレイ装置は画像に対応する反射光の空間変調を生成し、反射型ディスプレイ装置はビームスプリッター構成から反射される偏光源からの光によって照射され、反射型ディスプレイ装置は画像の明るい領域に対応する反射光が偏光光源に対して回転する偏光を有するように構成されている、反射型ディスプレイ装置と；（ｄ）コリメーション面の少なくとも一部と関連する少なくとも１つの位相差板と；および、（ｅ）位相差板の少なくとも一部に重なる少なくとも１つの光波コリメーティングコンポーネントと；を含み、結果として、反射型ディスプレイ装置からの画像が、偏光選択的ビームスプリッター構成によって選択的に伝達され、コリメーティングコンポーネントによってコリメートされ、偏光選択的ビームスプリッター構成から反射され、かつ、出射面を通って投影される、光学システムが提供される。
【０００８】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、プリズムの光波入射面および光波出射面は平行である。
【０００９】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、プリズムの隣接する面の間の少なくとも１つの角度は非直角である。
【００１０】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、プリズムは立方形のプリズムであり、かつ、ある場合には、正方形の立方形のプリズムである。
【００１１】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、偏光選択的ビームスプリッター構成はワイヤグリッドビームスプリッターである。
【００１２】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、偏光選択的ビームスプリッター構成は：（ａ）偏光光源に最も近接している第１のビームスプリッター素子と；（ｂ）吸収型ポラライザと；（ｃ）光波コリメーティングコンポーネントに最も近接している第２のビームスプリッター素子と；を含む、複合ビームスプリッター構成である。
【００１３】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、第１のビームスプリッター素子はワイヤグリッドビームスプリッター素子である。
【００１４】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、プリズムの光波出射面と関連する出口ポラライザ（ｅｘｉｔ  ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）も提供され、出口ポラライザは、偏光選択的ビームスプリッター構成を横断する、偏光光源からのあらゆる照射の消衰を確実にするように、偏光選択的ビームスプリッター構成に対し交差関係で配向される。
【００１５】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、反射型ディスプレイ装置は反射型液晶ディスプレイを含む。
【００１６】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、少なくとも２つの互いに平行な主表面を有する光導基板、および光波入射開口（ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ  ｉｎｐｕｔ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）も提供され、光波入射開口は、プリズムの光波出射面に光学的に連結される。
【００１７】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、光伝達基板は、主表面に対し斜角で基板内に伸長する少なくとも１つの部分反射面を含む。
【００１８】
本考案の実施形態のさらなる特徴によれば、少なくとも１つの位相差板は、偏光軸と位置合わせされる高速軸を有する第１の位相差板と、偏光軸に対し４５度で位置合わせされる高速軸を有する第２の位相差板と、を含む。
【００１９】
本明細書および実用新案登録請求の範囲中に使用される用語「光導波路（ｌｉｇｈｔ−ｇｕｉｄｅ）」は、任意の光伝達体、好ましくは光伝達固体を指し、これはまた「光学基板」を指してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本考案は、添付の図面を参照してほんの一例として本明細書に記載されている。
【図１】図１は、本考案の実施形態にしたがって構築され動作する、コンパクトなコリメーティング画像プロジェクターを提供する光学システムの概略的な分解平面図である。
【図２】図２は、出口ポラライザの追加により修正された図１の光学システムの概略的な分解平面図である。
【図３】図３は、図２に類似の模式図であり、画像プロジェクターの出力に達する光源からの不必要な放射の潜在的経路を図示する。
【図４】図４は、図２の光学システムの概略的な分解平面図であり、複数の偏光素子を含む偏光選択的ビームスプリッター構成の好ましい実装の詳細を示すためにさらに分解されている。
【図５】図５は、図４に類似の模式図であり、画像プロジェクターの出力に達する光源からの不必要な放射の潜在的経路を図示する。
【図６】図６は、偏光素子の様々な異なる組み合わせについて、面外のスキュービーム角に応じ、望ましくない光信号の伝達のバリエーションを示すグラフである。
【図７】図７は、様々なコンポーネントを単一構造に組み立てた後の図１、２および４の光学システムの概略的な平面図である。
【図８】図８は、光導基板に連結された図７の装置を含む光学システムの概略的な平面図である。
【図９】図９は、非長方形の幾何学的配置で実装された図７の光学システムに類似の光学システムの概略的な平面図である。
【図１０】図１０は、バックグラウンドノイズのディスプレイコントラスト比の間の関係を図示するグラフである。
【考案を実施するための形態】
【００２１】
本考案は、光導基板に連結されるコンパクトなコリメーティングプロジェクターを備える光学システムである。
【００２２】
本考案に係る光学システムの原理および操作は、図面および添付の記載を参照することでよく理解され得る。
【００２３】
ここで図面を参照すると、図１、２、４および７−８は、光学システムの様々な実装を例証し、これは、一般に（１００）で指定され、本考案の様々な態様に従い構築され動作する。一般的に言えば、システム（１００）は光波伝達材料から形成される画像コリメーティングプリズム（１０２）を含み、これは光波入射面（８）、光波出射面（２０）、画像表示面（１２）およびコリメーション面（１８）を含む多数の外表面を有する。偏光選択的ビームスプリッター構成（１０）（省略して「ＰＢＳ（１０）」と参照される場合がある）は、光波入射面（８）に対し傾斜した面上でプリズム（１０２）内に配置される。
【００２４】
光源（６２）とポラライザ（４）との組み合わせとしてここに示される偏光光源は、光波入射面（８）に関連している。プリズムの画像表示面と関連する反射型ディスプレイ装置である、反射型ディスプレイ装置（７０）は、画像に対応する反射光の空間変調を生成し、画像表示面（１２）に関連している。反射型ディスプレイ装置（７０）は、ビームスプリッター構成（１０）から反射される偏光源からの光によって照射される。反射型ディスプレイ装置（７０）は、所望の画像の明るい領域に対応する反射光が偏光光源に対して回転する偏光を有するように構成されている。したがって、前述の図面において示されるように、偏光された照射は、第１の偏光、典型的にはビームスプリッター構成（１０）に対するｓ偏光、を有する入射面（８）を通ってプリズム（１０２）に入り、かつ、反射型ディスプレイ装置（７０）に当たるところで、画像表示面（１２）の方へ反射される。画像の明るい領域に対応するピクセルは、変調された回転偏光（典型的にはｐ偏光）で反射されて、その結果、明るいピクセルからの放射がビームスプリッター構成（１０）を通して伝達され、コリメーション面（１８）に達し、ここにおいて、それは、コリメーション面の少なくとも一部と関連する少なくとも１つの位相差板、好ましくは４分の１波長板（１４）を通過し、位相差板の少なくとも一部に重なる少なくとも１つの光波コリメーティングコンポーネント（１６）に入り、４分の１波長板（１４）を通って反射される。偏光軸に対し４５度で高速軸と位置合わせされる４分の１波長板（１４）を通る複光路は、偏光を回転させ（例えば、ｐ偏光をｓ偏光に変換する）、その結果、コリメートされた画像の照射が、ビームスプリッター構成（１０）で出射面（２０）の方へ反射される。
【００２５】
特に好ましいが非限定的な一連の本考案の応用において、画像コリメーティングプリズム（１０２）の光波出射面（２０）は、互いに平行な少なくとも２つの主表面（３２）および（３４）を有する、光導基板（３６）の光波入射開口に光学的に連結される。この場合、ビームスプリッター構成（１０）における反射を介し光源によって照射される反射型ディスプレイ装置（７０）からの画像は、コリメーティングコンポーネント（１６）によってコリメートされ、ビームスプリッター構成（１０）から反射されて、出射面（２０）を通って、光導基板（３６）の入射開口へと通過して、内反射によって基板内に伝播するようになる。
【００２６】
この段階で、本考案が特に有利な光学システムを提供することが理解されるだろう。特に、反射型ディスプレイ装置（７０）に照射を送達するために、かつ、コリメートされた光をコリメーティングコンポーネント（１６）から出射面（２０）へ反射するために、単一の偏光選択的ビームスプリッター構成（１０）を使用することによって、所与のサイズの反射型ディスプレイ装置のために幅広いＦＯＶディスプレイを供給するのに有利になりうる、特に短い焦点距離を有するコリメーティングプリズム（１０２）の非常にコンパクトな実装を達成することが可能であり、典型的にはこれらの２つの機能のために２つの別個のプリズム組立体を必要とする先行の装置とは対照的である。
【００２７】
本明細書中に定義されたコンパクトな構成の１つの帰結としては、特定の実装において、照射源がプリズムの出射開口の反対側にあるということである。これは、場合によっては、光源照射がビームスプリッターを通って漏れ、出射開口を出て光導基板に到達することで、それによりノイズを増加させず、かつ、画像のコントラストを低下させないことを確実にする特別な予防策を必要としうる。下記に記載される様々な実施形態は、様々な特に好ましい実装を開示し、ここで、光導基板に達することから、非常に「スキュービーム（ｓｋｅｗ  ｂｅａｍ）」な角度であっても、照射の放射の消衰を増強するための、素子が提供される。
【００２８】
本考案の様々な特に好ましい実装は、ＬＣＤまたはＬＣＯＳディスプレイなどのいくつかの空間光変調器（ＳＬＭ）マイクロディスプレイソースにおいて、動作が装置に入射する偏光された光に基づき、これは異なる偏光状態で反射される、という事実を利用する。非偏光反射ＳＬＭはまた、ＳＬＭの入口において４分の１波長板を追加することにより使用することができる。これにより、入射および出射経路における４分の１波長板を通るビームの複光路が光ビーム偏光を回転させるので、これらのタイプのＳＬＭが本考案の装置で使用するのに適している偏光回転ＳＬＭに変わるだろう。
【００２９】
以下の説明では、ＬＣＯＳが反射し偏光回転するマイクロディスプレイの例として言及されるが、しかし、これが非限定的な例でしかないことが注目されるべきであり、「反射型ディスプレイ装置」として参照される、他の偏光回転マイクロディスプレイも適用可能である。
【００３０】
コリメーティングプリズム（１０２）は、図１中で（６）および（２２）と符号を付された２つのプリズムに基づき、ここにおいて、それらの少なくとも１つが斜辺側面の上に設けられ、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）は偏光選択的ビームスプリッター構成（１０）の少なくとも一部を形成し、これはｓ偏光を反射してｐ偏光を伝達する。プリズムの２つの斜辺側面は、接合されたコリメーティングプリズム組立体を形成するため、互いに接合される。この単一の接合されたプリズムは、ＬＣＯＳの照射およびまたＬＣＯＳのコリメーションのために使用される。
【００３１】
接合されたプリズム（１０２）の幾何学的形状は用途によって変わり、直角の面に必ずしも基づくわけではない。特定の好ましい実装においては、プリズムの光波入射面（８）および光波出射面（２０）は平行である。特定の特に好ましい実装においては、プリズムは立方形のプリズムであり、すなわち、長方形の面が互いに直交しており、かつ、本明細書中で例証される特定の特に好ましい例においては、それは正方形で立方形のプリズムであり、ここにおいてコンポーネントプリズム（６）および（２２）はそれぞれ４５度の直角をなす横断面の形状を有する。特定用途の細部に応じて、４５度以外の角度で配置される非直角のプリズム面および偏光ビームスプリッター構造を使用することが望ましい場合がある。非長方形の装置の非限定的な１つの例は図９に示される。様々な非長方形形状に直接起因する変更以外は、図９の装置の構造および機能は、図１のそれに類似しており、類似の要素には符号が同様に付されている。
【００３２】
図１で示されるように、ＬＥＤ、レーザまたは他の任意の光源（６２）からのものでありうる入射光ビーム（２）は、線形のポラライザ（４）を通過する。線形のポラライザ（４）は、光源（６２）それ自体が偏光させられる場合には必要ではないが、高品質の偏光照射を保証するのに有利である場合がある。図１で示されるように、入射光ビーム（２）はＰＢＳ（１０）の面に関して直線的にｓ偏光させられる。示されるように、光源からのｓ偏光入射光波（２）は、プリズムの入射面（８）を通って、光波伝達材料から構成されるプリズム（１０２）（これは中間にＰＢＳ（１０）を有する、プリズム（６）および（２２）から構築された「光導波路」光学装置と考えることができる）へと連結される。ＰＢＳ（１０）からの反射に続いて、光波は、プリズム（６）の外表面（１２）を通って基板の外へと連結される。光波は、明るい画像信号のためにｓ偏光状態をｐ偏光に変換するＬＣＯＳ素子（７０）によって反射される。ｐ偏光光波は、面（１２）を通って光学素子（６）に再び入る。ここでのｐ偏光光波は、ＰＢＳ（１０）を通過し、次に、プリズム（２２）の外表面（１８）を通って光導波路の外へ連結される。その後、光波は少なくとも１つの４分の１波長位相差板（１４）を通過し、反射およびコリメーティング光学素子（１６）、例えば球状のコリメーティングミラー、によって反射され、戻って位相差板（１４）を再び通過し、外表面（１８）を通って光導波路に再び入る。最も好ましくは、２つの位相差板が、偏光軸に対して０度および４５度でそれらの高速軸と共に、それぞれ使用される。４５度位相差板（１４）を通る複光路は、ビームをｐ偏光からｓ偏光に変更する。０度位相差板は、偏光ビームスプリッター（２８）で不要な高角度スキュー光線の効果的な消衰を確実にするのを支援する。その後、ビームは、ＰＢＳ（１０）および出口のプリズム（２２）の外表面（２０）からによって反射される。これらの光波は、ＬＣＯＳによって変調され、かつ、反射光学素子（１６）によってコリメートされた画像情報を含む。いくつかの構成では、このビームは、目またはカメラによって見られるためにビームを反射する光学的コンバイナ素子に連結されるだろう。この実施形態の性能は、非常に効率的なポラライザであるＰＢＳ（１０）に依存する。さらなる例が示され、そこではこのポラライザがあまり効率的でなく、追加の素子が高い画像コントラストを達成するために使用される。
【００３３】
別の実施形態が図２に示され、そこでは線形のポラライザ（３０）が面（２０）を出る光波に追加される。ポラライザ（３０）は、ＰＢＳ（１０）から反射されたｓ偏光を通過させるために、その偏光軸がポラライザ（４）と平行に配向されている。このポラライザの追加は、光源（６２）から直接通過する不要な光を消衰させるのを支援する。そのような不要な光の典型的な経路は図３に示される。光波（３４）のビームは点線として示される。ＬＥＤ、レーザまたは他の任意の光源（６２）からでありうる入射光波（３４）は、図３で示されるように、線形のポラライザ（４）（線形のポラライザ（４）は、光源がそれ自身偏光する場合には任意である）を通過する。光波は、ＰＢＳ（１０）の面に対して直線的にｓ偏光する。しかしながら、（図の平面外の）スキュー光線は、ＰＢＳ（１０）に関していくらかの小さなｐ偏光成分を有する。これらの光波は面（８）に入り、プリズム（１０２）へと連結され、ＰＢＳ（１０）を通過し、プリズム（２２）の外表面（２０）を通過し、線形のポラライザ（３０）に達する。不要なｐ偏光光は線形のポラライザ（３０）によって取り除かれ、映像情報のコントラスト比率を高くできる。この目的のために、線形のポラライザ（３０）は線形のポラライザ（４）の偏光軸と平行な偏光軸を有する。ＰＢＳ（１０）が理想的に広いスペクトルのポラライザに充分接近すると仮定した場合、この構成は効果的である。さらなる例では、このポラライザが理想的でない場合の状況へ対処することについて下記で議論するだろう。追加のポラライザは、光路に導入され得る応力複屈折の影響に対抗するのを助けることにも有用である。
【００３４】
別の実施形態は図４で示され、ここにおいて、偏光選択的ビームスプリッター構成（１０）は、偏光光源に最も近接している第１の偏光ビームスプリッター素子（ＰＢＳ）（２４）と、吸収型ポラライザ（２６）と、光波コリメーティングコンポーネントに最も近接している第２の偏光ビームスプリッター素子（２８）と、を含む複合ビームスプリッター構成である。偏光ビームスプリッター素子（２４）および（２８）は、任意の種の偏光ビームスプリッターとして実装することができ、限定されないが、多層の誘電性のコーティングおよびワイヤグリッド金属スプリット（ｗｉｒｅ−ｇｒｉｄ  ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｓｔｒｉｐｓ）から形成された偏光ビームスプリッターを含む。さらに下に記載されるある特に好ましい実装においては、少なくとも第１の偏光ビームスプリッター素子（２４）はワイヤグリッド素子である。
【００３５】
前述のように、光学装置は（６）と（２２）で示される２つのプリズムに基づいており、各プリズムはそれぞれ斜辺（２４）および（２８）上にＰＢＳを有し、これらはｓ偏光を反射し、ｐ偏光を伝達する。図面の全体にわたって、様々なコンポーネントは、明確性のために図式的にそれらの間にスペースをあけて図示されているが、隣接した平行な面は、典型的には、精密な単一の構造を形成するために光学的接合剤で接合される。したがって、この場合、プリズムの２つの斜辺の側面は、ｐ偏光を伝達する線形のポラライザ（２６）を間に挟んで互いに接合されており、それによってこの組立体は接合された立方体のプリズムになる。現実世界での適用においては、これらのＰＢＳが理想的でなく、ｓ偏光のすべてを反射するとは限らないので、吸収型ポラライザ（２６）はＰＢＳ（２４）および（２８）を通過するｓ偏光の消衰に非常に寄与する。特に、誘電性のＰＢＳ素子が素子（２４）および（２８）に使用される場合、高角度スキュー光線のための選択的伝達（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）はｓ偏光コンポーネントを含んでいる。これらのコンポーネントは、デカルト（固定軸）ポラライザである吸収型ポラライザ（２６）によって取り除かれる。
【００３６】
上述のように、本考案の様々な適用は、長方形でないプリズムを使用してもよい。ある場合には、ビームスプリッター素子（２４）および（２８）の間の配向に差があることが望ましい場合がある。そのような場合、配向角度において所望の差を達成するために、追加のウェッジ（ｗｅｄｇｅ）（図示せず）がビームスプリッター素子間で提供されてもよい。
【００３７】
他のすべての点で、図４の装置の構造および機能は、図１−３のコンテクストにおいて上述されていたものと等しく、その記載への言及によって理解されるだろう。いくつかの特に好ましいが非限定的な適用においては、図８に関してさらに議論されるように、光波出射面（２０）からの出力画像ビームは、目またはカメラによって見られるためにビームを反射する光学的コンバイナ素子に、好ましくはポラライザ（３０）を介して、連結されるだろう。
【００３８】
上述の複合ビームスプリッター構成を使用すると、さらに、光学装置から出るかもしれない、光源（６２）からのあらゆる不要な直射光の消衰に寄与に役立つ。これは図５に示される。光波のビームがとる可能性のある経路は図５に点線で示される。ＬＥＤ、レーザまたは他の任意の光源（６２）からでありうる入射光波（３４）は、図５で示されるように、線形のポラライザ（４）（線形のポラライザ（４）は、光源がそれ自身偏光しない場合には任意である）を通過する。プロジェクター出力に達するために、ＰＢＳ構成（１０）の面に関して直線的にｓ偏光され、かつ、面（８）を通ってプリズム（１０２）に入る光波は、ＰＢＳ（２４）を通過し、線形のポラライザ（２６）を通過し、ＰＢＳ（２８）を通過し、プリズム（２２）の外表面（２０）を通過し、線形のポラライザ（３０）を通過する必要があるだろう。スキュー光線を含むこれらの光波は、光源（６２）から直接的に来る、不要なｓ偏光光を含む。線形のポラライザ（２６）は、画像情報の高いコントラスト比率を可能にするために、これらの光波の力を消すのに役立つ。この目的のために、線形のポラライザ（２６）は線形のポラライザ（４）の偏光軸に対して９０度で配向される偏光軸を有する。ＰＢＳ（２４）および（２８）、ならびにポラライザ（２６）を貫通する、光源からのｐ偏光直射光を備える任意のスキュー光線は、線形のポラライザ（４）に対して平行に配向された偏光軸を有するポラライザ（３０）によって減衰される。
【００３９】
様々な異なる実装に係る光波（３４）の消衰効率は、下記で議論されるだろう。
【００４０】
交差偏光位置（ｃｒｏｓｓ  ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）と呼ばれる９０度で互いに配向された時の２つの市販の線形のポラライザの消衰は、偏光面に垂直な入射光線については０．０１％未満に達しうる。しかしながら、垂直入射から約±１７度というような傾斜した光線を扱う場合、消衰は異なる可能性がある。図４の面において、垂直線に対して１７度のビームの消衰を測定すると、消衰は垂直線入射の場合とほぼ同じであることが示される。ビーム傾斜角のコンポーネントが図４の平面の外側（垂直）にある場合、伝達率が上昇する。これは、ポラライザ素子の様々な異なる組み合わせのための図６中のグラフによって示される。すべての曲線は、少なくとも１つの線形のポラライザ、または、偏光選択的ビームスプリッター構成（１０）の可能な様々な実装を形成するビームスプリッター、を通過する偏光可視光についてのものであり、かつ、出口の後続に第２のポラライザ（３０）があるいくつかの場合に、達成される消衰の程度に関係する。曲線（１１０）は、ポラライザ（２６）が誘電性コーティングＰＢＳ素子（２４）と（２８）の間で交差配向される線形のポラライザである時の消衰関数である。曲線（１１６）は、偏光選択的ビームスプリッター構成（１０）が単独で使用されるワイヤグリッドビームスプリッターとして実装される時の消衰関数である。ポラライザ（３０）のないこれらの２つの場合の伝達されるビームを分析すると、ビームがＰＢＳ構成（１０）の配向に関してｓ偏光およびｐ偏光のコンポーネントを有することが示される。ＰＢＳ−線形のポラライザ−ＰＢＳの組み合わせの曲線（１１２）で、かつ、ビームスプリッター構成（１０）について単独で使用されるワイヤグリッドビームスプリッターの曲線（１１８）で示されるように、線形のポラライザ（３０）を追加することにより、ｐ偏光コンポーネントが低減される。したがって、線形のポラライザ（３０）の追加は、ノイズの低減には非常に有利で、コントラストを増強しているようである。全角度範囲上にわたって最も高い消衰は、曲線（１１４）により示され、ビームスプリッター構成（１０）は、ＰＢＳ素子（２４）、ポラライザ（２６）、および誘電性ＰＢＳ素子（２８）のためのワイヤグリッドを含み、外連結構造（ｃｏｕｐｌｉｎｇ−ｏｕｔ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の一部としてポラライザ（３０）がその後に続く時に達成される。
【００４１】
典型的には、はるかに単純な機械的モジュールを有する単一のコンパクトな素子を形成するために、プロジェクター装置の図４に示される様々な構成要素のいくつかまたはすべてを取り付けることが有利である。既に述べたように、プリズム（６）および（２２）はＰＢＳ構成（１０）とともに接合される。全体の光学的な設計における隣接するコンポーネントの詳細に応じて、他のポラライザ（４）および（３０）、反射およびコリメーティング素子（１６）およびリターダ（１４）のいくつかまたはすべてがプリズムに接合されることが可能な場合がある。図７はそのようなモジュールを図示し、ＬＣＯＳ（７０）および光源（６２）以外の全ての要素が接合される。これらの要素は、好ましくは、組立体の対応する表面に隣接して取り付けられるが、そこには接合されない。
【００４２】
このようにこれまで記載した装置は、コリメートされた画像を生成する小型プロジェクターが必要とされる広範囲の用途に使用することができる。適切な用途の例には、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）およびヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、携帯電話、コンパクトディスプレイ、３Ｄディスプレイ、コンパクトビームエクスパンダなどの様々な画像処理用途、ならびに、フラットパネルインジケータ、コンパクトイルミネータおよびスキャナなどの非画像処理用途が含まれるが、これらに限定されない。１つの特に好ましいが限定されない用途のサブセットの説明として、図８は、図７に関して詳述された構造に対応する、基板（３６）と組み合わされて光学システムを形成するプロジェクター装置（４２）を示す。このような基板（３６）は、典型的には、光を基板へと連結するために、少なくとも２つの主面（３２）および（３４）と、１つ以上の部分反射面（６６）および光学的ウェッジ要素（３８）と、を含む。プロジェクター装置（４２）からの出力光波（４０）は、ウェッジ（３８）を通って基板（３６）に入る。（基板（３６）に対する）入射光波は、図８に示されるように、全内反射（Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）（ＴＩＲ）によって基板に閉じ込められる。導波路からの外連結（ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇ）は、部分反射面（６６）によって、または回折素子によって、または任意の他の適切な外連結構造によって、適用することができる。ウェッジ要素（３８）は、１つの非限定的な光学的連結構成の単なる例示であり、他の要素および構成が光装置からの光を基板（３６）に連結するために使用されうる。
【００４３】
光源からの直射光ビームの光学的基板（３６）への影響は、図５に示すように、ＬＣＯＳによって生成された画像のコントラスト（システムの最小コントラスト値）上で、
【００４４】
【数１】
0003226588.tif 000003
によって得られ、式中、
・ＳｗはＬＣＯＳからの白画像（ｗｈｉｔｅ  ｉｍａｇｅ）であり、
・ＳｂはＬＣＯＳからの黒画像（ｂｌａｃｋ  ｉｍａｇｅ）であり、
・Ｎｓｃａｔは、散乱の結果、基板（３６）に入る不必要な光であり、
・Ｎｄｉｒは基板（３６）に入る残余の直射ＬＥＤ光である。
・Ｎｄｉｒは、ＬＣＯＳによって生成された画像に干渉する不要なノイズである。
【００４５】
Ｎｓｃａｔが非常に低いとすると、コントラストに対するＮｄｉｒの影響は図１０に示される。コントラストは直射光ビーム（Ｎｄｉｒ）の消衰によって制限される。したがって、本明細書中に開示された構造および光学的構成によって提案されるように、この直射光ビームを最大限減衰させることが重要である。
【００４６】
添付の実用新案登録請求の範囲が複数の依存関係なしで起草されているという点で、これは、そのような複数の従属関係を許容しない管轄区域における正式な要件に適合するためにのみ行われている。実用新案登録請求の範囲を複数に従属させることによって示唆される特徴のすべての可能な組み合わせは明白に想定されており、考案の一部とみなされるべきであることに留意されるべきである。
【００４７】
上記の説明は例としてのみ提供されることを意図しており、添付の実用新案登録請求の範囲に定義された本考案の範囲内で他の多くの実施形態が可能であることが理解されるだろう。
【図１】
0003226588.tif 000004
【図２】
0003226588.tif 000005
【図３】
0003226588.tif 000006
【図４】
0003226588.tif 000007
【図５】
0003226588.tif 000008
【図６】
0003226588.tif 000009
【図７】
0003226588.tif 000010
【図８】
0003226588.tif 000011
【図９】
0003226588.tif 000012
【図１０】
0003226588.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月19日(2020.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、該システムは：
（ａ）光波伝達材料を含む画像コリメーティングプリズムであって、前記プリズムは、光波入射面および光波出射面を含む複数の外表面と、画像表示面と、コリメーション面と、を有し、偏光選択的ビームスプリッター構成が、前記光波入射面に対し傾斜した面上で前記プリズム内に配置されている、画像コリメーティングプリズムと；
（ｂ）前記光波入射面を通って光を導入するように配置される偏光光源と；
（ｃ）前記プリズムの前記画像表示面に配置される反射型ディスプレイ装置であって、  前記反射型ディスプレイ装置は画像に対応する反射光の空間変調を生成し、前記反射型ディスプレイ装置は前記ビームスプリッター構成から反射される偏光源からの光によって照射され、前記反射型ディスプレイ装置は、前記画像の明るい領域に対応する前記反射光が前記偏光光源に対して回転する偏光を有するように構成されている、反射型ディスプレイ装置と；
（ｄ）前記コリメーション面の少なくとも一部上に配置される少なくとも１つの位相差板と；および、
（ｅ）前記位相差板の少なくとも一部に重なる少なくとも１つの光波コリメーティングコンポーネントと；を含み、
結果として、前記反射型ディスプレイ装置からの画像が、前記偏光選択的ビームスプリッター構成によって選択的に伝達され、前記コリメーティングコンポーネントによってコリメートされ、前記偏光選択的ビームスプリッター構成から反射され、かつ、前記出射面を通って投影され、
ここで、前記光波入射面は、前記プリズムの光波出射面と反対側にあり、および、前記偏光選択的ビームスプリッター構成は、少なくともデカルトポラライザを含む
ことを特徴とする、光学システム。
【請求項２】
前記プリズムの前記光波入射面および光波出射面は平行であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記プリズムの隣接する面の間の少なくとも１つの角度は非直角であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記プリズムは立方形のプリズムであることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記プリズムは正方形の表面を有する立方形のプリズムであることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
前記偏光選択的ビームスプリッター構成はワイヤグリッドビームスプリッターであることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記偏光選択的ビームスプリッター構成は、
（ａ）前記偏光光源に最も近接している第１のビームスプリッター素子と；
（ｂ）吸収型ポラライザと；
（ｃ）前記光波コリメーティングコンポーネントに最も近接している第２のビームスプリッター素子と；を含む、複合ビームスプリッター構成であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
前記第１のビームスプリッター素子はワイヤグリッドビームスプリッター素子であることを特徴とする、請求項７に記載の光学システム。
【請求項９】
前記プリズムの前記光波出射面から出る光の経路に配置される出口ポラライザをさらに含み、前記出口ポラライザは、前記吸収型ポラライザを横断する、前記偏光光源からのあらゆる照射の消衰を確実にするように、前記吸収型ポラライザに対し交差関係で配向されることを特徴とする、請求項７に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記プリズムの前記光波出射面から出る光の経路に配置される出口ポラライザをさらに含み、前記出口ポラライザは、前記偏光選択的ビームスプリッター構成を横断する、前記偏光光源からのあらゆる照射の消衰を確実にするように、前記偏光選択的ビームスプリッター構成に対し交差関係で配向されることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記反射型ディスプレイ装置は反射型液晶ディスプレイを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１２】
少なくとも２つの互いに平行な主表面を有する光導基板、および光波入射開口をさらに含み、前記光波入射開口は、前記プリズムの前記光波出射面に光学的に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記光導基板は、前記主表面に対し斜角で前記基板内に伸長する少なくとも１つの部分反射面を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記位相差板は、偏光軸と位置合わせされる高速軸を有する第１の位相差板と、偏光軸に対し４５度で位置合わせされる高速軸を有する第２の位相差板と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。